Bonding mechanism during welding of radiation cross-linked thermoplastic polymers
Final Report Abstract
Ziel des Projektes war die Erarbeitung von Grundlagenwissen zu werkstofflichen und prozesstechnischen Einflüssen auf die Haftungsmechanismen beim Schweißen strahlenvernetzbarer Kunststoffe. Im Fokus stand hierbei die durch den Fügeprozess hervorgerufene thermisch induzierte Nachvernetzung. Es konnte gezeigt werden, dass es zu einer Verschiebung der Kristallisationspeaktemperatur bei unterschiedlichen, strahlenvernetzten Werkstoffen kommt, was als ein Indikator auf eine thermische Nachvernetzung gewertet werden kann. Für das Modellwerkstoffsystem Polyamid 66 konnte weiterhin gezeigt werden, dass eine Strahlenvernetzung, mit zunehmenden Vernetzungsgrad, zur Zunahme der Zugfestigkeit, Abnahme der Bruchdehnung als auch zu einem gummielastischen Verhalten mit einer Reststeifigkeit oberhalb der Kristallitschmelztemperatur führt. Es konnte weiterhin dargestellt werden, dass die Kristallisationspeaktemperatur mit dem Vernetzungsgrad korreliert und daher als ein Indikator für das Nachvernetzungsverhalten herangezogen werden kann. Für im Vibrationsschweißprozess typische Temperaturen und Zeiten konnte eine Abhängigkeit des Nachvernetzungsverhaltens bei strahlenvernetztem Polyamid 66 aufgezeigt werden. Mit einem Ansteigen der Temperaturen auf Temperaturen oberhalb der Kristallitschmelztemperatur führen die strahleninduzierten Radikale zu einem Nachvernetzen des Werkstoffs. Hierbei tritt dieser Effekt bei einer Temperatur von 330 °C binnen weniger Sekunden auf und kann bei einer niedrigen Bestrahlungsdosis von 33 kGy sowie 99 kGy beobachtet werden. Es konnte damit dargestellt werden, dass die thermisch induzierte Nachvernetzung im Vibrationsschweißprozess auftreten kann. Die veränderten mechanischen Eigenschaften des strahlenvernetzten Polyamid 66 führen weiterhin zu einer Beeinflussung des resultierenden Vibrationsschweißprozesses. Durch das gummielastische Verhalten mit einer Reststeifigkeit oberhalb der Kristallitschmelztemperatur kommt es zu einem veränderten Energieeintrag in die Fügezone. Der stark gehemmte Quetschfluss führt gegenüber unvernetztem Polyamid 66 zu höheren Temperaturen. Diese zeigen auch eine Abhängigkeit vom Vernetzungsgrad sowie den Prozessparameter Amplitude und Fügedruck. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass die resultierende thermische Beeinflussung der Fügezone zu einer Nachvernetzung in den geschweißten Bauteilen führt. Bei den resultieren Schweißnahtfestigkeiten konnten Werte im Bereich der Grundmaterialfestigkeit festgestellt werden. Hier führen höhere Amplituden zu einem Anstieg der Schweißnahtfestigkeiten. Weiterhin ist bei niedrigen Amplituden ein Einfluss der Schweißzeit zu erkennen. Diese bewirkt wie eine höhere Bestrahlungsdosis einen Anstieg der Festigkeit. Bei allen getesteten Schweißnahtverbindungen konnte bei Prüftemperaturen oberhalb der Kristallitschmelztemperatur eine Verbindungsfestigkeit aufgezeigt werden. Das heißt, dass hier eine thermische Nachvernetzung über die Fügezone stattgefunden hat. Es konnte keine Abhängigkeit von den gewählten Prozess- und Materialparameter festgestellt werden. Im Rahmen des Projektes konnte das thermische Nachvernetzen als ein zusätzlicher Haftungsmechanismus beim Vibrationsschweißen von strahlenvernetztem Polyamid 66 nachgewiesen werden. Es konnte weiterhin ein Transfer dieser Ergebnisse auf das Infrarotschweißen durchgeführt werden. Außerdem konnte aufgezeigt werden, dass dieses Nachvernetzungsverhalten auch bei anderen Kunststoffen auftritt.
Publications
- Influence of radiation cross-linking of polyamide 66 on the characteristics of the vibration welding process. Polymer Engineering and Science, 55, 2493 – 2499 (2015)
Leisen C., Menacher M., Drummer D.
(See online at https://doi.org/10.1002/pen.24139) - Infrared welding of cross-linkable polyamide 66. eXPRESS Polymer Letters Vol.10, No.10 (2016) 849–859
Leisen C., Drummer D.
(See online at https://doi.org/10.3144/expresspolymlett.2016.79) - Post-cross-linking behavior of radiation cross-linked polyamide 66 during vibration welding. Polymer Engineering and Science, 56, 735-742 (2016)
Leisen C., Seefried A., Drummer D.
(See online at https://doi.org/10.1002/pen.24300)
